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3D打印技术在教育中的应用研究

发布时间:2017-12-07 09:06:00 文章来源:未来智讯    
    关键词:3D打印;教育应用;模式构建
    中图分类号:G434 文献标识码:A 文章编号:1671-7503(2014)11-0016-04
    3D打印技术是一种以数字形式从三维立体模型快速构造物理对象的新型快速成型技术。该技术在医疗行业、骨骼打印、文物打印、工业设计、汽车零件制造、航天和国防、教育、地理信息系统等领域都有所应用。众多研究者认为这项技术将引领制造业发展的新趋势,甚至被誉为2012年10大发明之一。随着3D打印技术的发展,3D打印技术逐渐与各个领域深度交融,成为各个领域未来发展的有力助推器。那么,3D打印技术与教育领域的深度融合又将给教育界带来哪些革命性的变化呢?
    新媒体联盟(New Media Consortium,NMC)在2013年地平线报告中首次将3D打印技术列为教育领域未来4-5年内待普及应用的创新型技术。鉴于3D打印技术在教育改革与创新层面的无限潜力,本文将从介绍3D打印原理切入,深入分析3D打印技术在教育中的作用,并构建基于3D打印技术的教学应用模式。
    一、3D打印的原理
    3D打印是快速成型工业形式的桌面级替代方案。围绕3D打印机的很多讨论源于制造者文化,即由设计者、程序员及其他对科学和工程尝试使用DIY(自己动手做)方法的人群形成的兴趣共同体。其独特之处在于无需机械加工和模具作为辅助,只需设计者根据用户的个性化需求,通过3D建模软件进行模型设计与构建,然后打印机读取模型数据进行打印输出即可。3D打印技术与传统打印技术的区别主要有两个方面:其一,3D打印首先需要进行数字化三维模型构建,传统打印技术并不需要构建数字化三维模型;其二,传统打印使用墨水进行打印,而3D打印利用实实在在的原材料制作实物模型。以制作过程为视角,3D打印需要经历物理对象的设计与构建、打印输出、后期处理三个主要阶段。具体打印流程如图1所示。
    [计算机辅助设计][三维建模][计算机辅助断层扫描][三维扫描][数据传输][模型分切][剖面信息读取][打印介质][支撑物][材料匹配][切片粘合][切片打印][固化处理][剥离][修整][上色][表面打磨][物理对象的设计与构建][成品][打印输出][后期处理]
    图1 3D打印基本流程
    (一)物理对象的设计与构建
    物理对象的设计与构建阶段涉及两个方面:三维建模和三维扫描。3D打印的关键阶段是模型设计与构建,这直接决定作品比例是否协调,设计是否残缺,结构是否合理,亦或是否符合心中期望。三维建模和可视化对物理实体的最终打印效果也有重要影响,可以使用与计算机辅助设计或计算机动画建模相关的三维建模软件来设计和构建欲打印的物理实体的三维模型,例如:AutoCAD、3D Max、SketchUp等。也可利用计算机辅助断层扫描通过对物体空间外形和结构进行扫描以获取物体空间坐标继而转换为数字信号,直接生成三维模型,亦或直接使用或是修改已有的模型作品。
    (二)打印输出
    在打印输出阶段经历的步骤有:数据传输、模型分切、剖面信息读取、材料匹配、切片打印以及切片粘合。首先将三维模型数据传输到3D打印机,然后,通过打印机配备的专业软件将模型薄片化,形成多个剖面。每层切片的厚度则由模型形状、打印介质和打印机规格决定。其次,选择与成品匹配的液体状、粉状、片状等的打印介质和易于祛除的支撑物。最后,采集所有切片的剖面数据,构建每一层三维模型切片,逐层将这些切片打印出来,然后,将所有切片堆叠起来,以各种方式粘合成一个完整的物理实体。
    (三)后期处理
    由于3D打印机规格、打印材质、打印精度的不同,可能出现成品截面粗糙或有毛刺的现象,这时就需要对打印出来的模型进行简单的后期处理,如:表面打磨、剥离、上色、固化处理等。
    二、3D打印技术在教育中的作用
    3D打印技术对于教育的重要价值之一,在于它能够创造对事物更真实可靠的探索机会,而这样的机会对于学生来说可能非常难得。同时,对3D打印技术从设计到生产过程的探索以及实物教学和参与性学习的发展需要,为学习活动的开展提供了新的可能。下文分别从教师和学习者视角分析3D打印技术在教育中的助推器作用。
    (一)促进教学效果的效能工具
    教师在教学过程中利用3D打印制作的教学用具,可以扩展学习者的感觉和知觉,增强触觉体验,弥补常态课堂直接经验不足的劣势。同时,教师也将隐性知识和认知结构显性化,使学习资料由抽象化转变成为具体化,具体化转变成为形象化,视觉复杂化转变成为认知简单化。由此增强学习者的思路清晰度,提高学习者的逻辑思维能力和理解能力,改善教师教学效果,提高学习者学习效率。
    (二)促进学习效果的认知工具
    3D打印可以作为小组协作探究环境的一部分,承担对创意和技术方案进行快速验证的任务,促进学习者的社会性认知。由于3D打印技术应用领域较广,建筑、机械、生物、医学、考古等学科都可以通过3D打印制作相关模型。学习者通过真实的模型可以深化感性认识,获取强烈、真实的认知体验,进入深度学习的状态。例如:针对小学五年级《赵州桥》的学习,3D打印能便捷地打印出赵州桥的微型化模型,学习者可以在课堂上对赵州桥的整体结构和构造特点有一个直观的观察和认识。进而加深学习者对赵州桥的社会性认知体验,最终达到促进学习效果的目的。
    (三)培养学习者的创造力
         可视化教具可以增加教学内容的趣味性,显著提高学习者的学习兴趣。常态教学环境下,教师一般利用多媒体技术,通过动画、图片、视屏、音频等能够为学习者创建一种动态的信息技术学习环境。但是,却极其缺乏形象、直观、可碰触的立体教具,致使学习者缺少对事物更真实可靠的探索机会,这在一定程度上抑制了学习者创造潜力的开发。3D打印技术则通过将数字化的设计、虚拟模型快速转变成实物的独特优势打破了这一禁锢。物理实体带来的强烈的现场感、真实的学习情境、近距离的观察和触摸体验,将为学习者拓展更为广阔的创造空间,激发学习者的批判性思维,提高学习者创造性解决问题的能力。
    (四)提高学习者的学习参与度和实践能力
    3D打印的打印流程包含模型设计和模型打印,这两个阶段皆需要学习者的全程参与。无形中,即使处于学习边缘的学习者也会自主完成学习角色转换,由边缘角色转变为中心角色,提高学习参与度。同时,通过完成提出创意、设计模型、构建模型以及打印模型这一系列任务,将有效促进学习者设计能力、观察能力和实践能力的发展。实践是提高知识内化和掌握程度的主要途径,同时,实践能力也是学习者发展研究能力和创新能力的基石。
    (五)营造愉快的学习体验及激发学习者的学习积极性
    3D打印可以使加速学习者设计过程成为可能,学习者在模型设计初期就可以通过教师指导以及原形化发现问题和不足,降低设计出错的概率和认知出错次数,减轻学习过程中的挫折感,增强自信,获得愉快的学习体验。对于3D打印无论是设计、制作还是分享使用都可能产生一种新的学习体验,吸引学习者的学习兴趣。只要有创意,就可以将构思变为真实的立体模型,使大脑中的抽象概念转变为现实世界的真实存在。这将使学习者在学习过程中充满沉浸感和成就感,激发学习者的学习热情和DIY兴趣,使得学习者发展成为主动的知识建构者和探索者。
    三、基于3D打印技术的教学应用模式构建
    3D打印技术有助于教师制作个性化教学模型,帮助学习者更好地形成沉浸式学习。学习者通过3D打印,开拓批判性思维模式,培养创新精神,提高创造力。3D打印是一种通用的技术,它的应用领域涵盖大部分学科,尤其适用于医学、机械设计等需要大量制作模型的专业。因此,构建一种适用于应用3D打印技术的教学模式显得尤为必要。本文基于3D打印技术的教学实施过程,对3D打印在教学中的应用模式进行了初步构建,如图2所示。
    [前期问题设计与模型制作][个性化需求][个性化需求][教学内容][教学内容][趣味性][趣味性][探索性][探索性][延伸性][交互合作][3D
    软件
    建模][满足
    学习
    者需
    求][解决
    真实
    问题][指导修正][3D
    建模
    软件][3D
    模型
    资源库][3D
    模型
    资源库][教育
    资源中心][打印介质选择][模型数据传输][打印机调试][打印操作][资源搜索][构建模型][设计原则][选择、修改已有模型][三维模型设计][三维模型构建][三维模型打印][问题发现][问题情境][问题情境创设][课堂
    应用
    教学
    评价][教学评价][问题情境创设][学习者自评][教师评价][模型展示][课堂互动][模型检验][学习者互评][课堂应用]
    图2 3D打印教学应用模式
    (一)教学实施过程概述
    基于3D打印技术的教学实施过程由问题情境创设、三维模型设计、三维模型构建、三维模型打印、开展教学和教学评价六个核心模块。教学实施过程以此六个模块依次展开。在创设问题情境环节发现问题之后,学习者在解决问题的任务情境之下进行3D模型设计和模型构建。然后,打印实物三维模型并在课堂互动环节通过展示、探讨、应用模型的活动对模型加以验证和修改,进而解决实际问题。最后,通过评价环节,精细化设计技巧,完善设计思想,提高学习者设计能力和创新能力。
    (二)核心模块分析
    1.问题情境创设
    对于学习者而言,创设问题情境可以有力激发学习者学习兴趣。从学习者的学习经验、知识结构以及教学内容出发,创设具有趣味性、探索性、延伸性并有助于学习者个性化学习、交互合作的问题情境将有效激发学习者强烈的问题意识和探究动机,有助于引起学习者对发现问题的深入思考、探究欲望和钻研热情。同时,置身于问题情境,才有可能挖掘学习者的设计灵感,创作出既有价值又能让人耳目一新的作品。对于教师而言协助学习者找到一个高质量的问题激发学习者的求知欲,将为后续教学活动的顺利进行奠定基础。
    2.三维模型设计
    经过创设问题情境阶段,学习者在接受问题刺激之后,其思维已被激活,处于活跃状态。此阶段是学习者最为敏感、最易出现创新思维的阶段。学习者在设计思想的指导下,遵循满足学习者个性化需求和解决真实问题的设计原则进行模型设计。教师则针对学习者在设计过程中存在的问题实施个性化的指导,帮助学习者在模型构建初期就降低设计失误的概率。
    3.三维模型构建
    在此阶段学习者利用Blender、Web 3D、AutoCAD等三维建模软件依照三维模型设计构建数字化三维模型。学习者也可以通过在3D建模资源库和教育资源中心等搜寻或修改符合要求的已有模型。
    4.三维模型打印
    模型打印主要借助3D打印机来实现,学习者只需把数字化三维模型数据传输到3D打印机,然后选择匹配的打印介质,根据打印要求设置打印机参数就可以轻松便捷地完成模型打印工作。
    5.课堂应用和教学评价
         将打印的三维模型应用到课堂当中,教师通过课程设计科学合理安排模型应用的时间和地点,为学习者创设一种轻松自由的学习环境。通过模型展示和课堂互动环节,学习者进行充分交流和互动以讨论模型中存在的问题。最后通过评价模块,验证模型的可用性,检验得出结论的正确性。教师对模型给出反馈,指导模型的再次修改,学习者进行自我评估和学习者互评,不断完善模型。
    四、结束语
    3D打印技术是一种新兴的学习技术,教育领域将是未来3D打印技术推广应用的重要市场。本文通过分析3D打印原理和3D打印技术在教育中的作用构建了基于3D打印技术的教学应用模式,以期为后续实际应用和精细化研究奠定基础。尽管3D打印技术在教育领域具有广阔的发展前景,但是目前其在教育机构的推广和普及仍面临着巨大挑战。例如:3D打印机价格昂贵,可制作原材料稀少,制作成本高等。这也将成为教育研究者未来的重点研究课题和方向。
    参考文献:
    [1] Manufacturing: The Third Industrial Rrevolution[EB/OL].The
    Economist,2012,4.http://www.economist.com/node/21553017.
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    [3] L・约翰逊,S・亚当斯贝克尔等著,张铁道,殷丙山等译.国际教育
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    [编辑:郑方林]
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